3D打印技术的应用领域目前集中在七大方面

国际金属加工网 2017年07月27日

3D打印技术是一种增材制造技术(AddictiveManufacturing),由ASTM定义为“基于三维模型,通过材料的逐渐累积,通常是逐层堆积,来制造物件的技术”。

可以通过与传统制造业的减材制造对比来理解增材制造:减材制造先由一块大料(如木头、金属等),然后通过切削或其他手段,最终留下所要的形状。与之相反,增材制造技术则先从液体或粉末等原材料出发,利用不同的能量源,将原材料逐层打印成三维实体。3D打印也是一种数字化成型技术,在三维软件完成设计建模之后,直接转化为实体,过程中不需要任何模具

最早成立的三家3D打印公司也是目前全球最大的三家3D打印技术的供应商。1984年美国人查尔斯·胡尔(CharlesW.Hull)发明了 SLA(StereoLithographyAppearance),即光固化成型技术。胡尔在1986年成立了3DSystems公司。1988年美国人斯科特克伦普(ScottCrump)发明了FDM(FusedDepositionModeling),即熔融沉积成型技术。他在第二年(1989年)成立了Stratasys公司。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CarlDechard发明了SLS(SelectiveLaserSintering),即选择性激光烧结技术。同年,德国EOS公司成立。

早期的3D打印局限于塑料打印。一个关键的技术转折点是在上世纪90年代中期,针对金属烧结或金属熔化技术的增材制造的出现。EOS在1995年推出了全球第一套商业化的金属3D打印设备,能够直接制造出金属件,使得3D打印技术的应用范围瞬间拓展。虽然当时可用的金属材料很少,但从那时起,3D打印技术开始慢慢拓展到不同行业。

对前沿技术比较感兴趣的行业,比如航空航天,最早开始尝试这项技术。比如波音认为这项技术可以打破一些传统加工的限制,实现更复杂的设计。由于飞机的零部件材料需要耐高温,波音当时投资了一笔资金,让我们研发适用材料。

这些年来,随着材料的多样化,打印速度、打印尺寸,精度等方面的提升,都在持续推动产业发展。现在看来,3D打印技术还在过渡中,没有做到真正的大批量生产。但把3D打印技术发展成为工业化生产的一种主要手段,是行业的一个目标。

值得注意的是,由于3D打印技术还比较新,对于不同级别的3D打印技术的区分还没有一个统一标准。一些市场调研有一些初步区分,比如按设备价值金额。有一份报告将设备分为三类,消费级、专业级和工业级,超过5万美金是工业级。但这样的区分仍然粗略,售价超过5万美金的设备中,产品跨度也很大。比如EOS的设备售价就超过5万美金10倍以上,金属机平均是500万元人民币,塑料机也有不同尺寸,售价在300万-800万元人民币之间。

航空航天、医疗、工业应用

3D打印技术的应用领域目前集中在七大方面。除了最早期的快速原型打印应用之外,随着技术不断发展,该技术已经进入了航空航天、医疗、工业、消费品、汽车以及模具,而且是用于打印最终部件或产品。另外科研领域也会用到这项技术做新材料或前沿应用的开发。

航空航天是应用比较快的一个行业,关键是由于其产业的特性,和目前3D打印技术所处的阶段有很多契合的方面:航空航天产品对复杂度有先天的需求,产品没有汽车或手机那样的大规模生产,产品单价相对高,所以行业对成本相对不是很敏感。

我们在国内的客户中,航空航天业占25%的比重,集中在四大集团公司:中航工业、中国航天科技(34.200, 0.33, 0.97%)集团、中国航天科工集团和发动机集团公司。从全球来讲,航空航天也占据至少1/4的市场。

另一个重要的应用领域就是医疗,主要在骨科和齿科两个领域,也有一些医疗设备的案例。医疗领域有很多3D打印应用不需要工业级3D打印就可以实现,比如一些协助医生在手术前做直观的术前模拟的模型。

工业级则面向附加值更高的医疗产品,例如骨科植入体,以及一些重要的医疗设备。我们最近看到的一个例子,医疗上常用的CT断层扫描设备,里面有一个零部件叫作格栅,这种网格状的零部件是比较关键的部件,作用是阻隔放射线,不让它大面积泄露,在使用中不辐射人体。格栅用传统的方式很难加工,每一片分别制作,然后再拼接起来。

格栅的结构对3D打印技术来讲轻而易举,但是它对材料有要求,必须是一种钨合金。钨的熔点是3000度以上,能量吸收率较低,属于典型的难熔金属。我们和客户合作开发了钨合金粉末烧结工艺,让这个应用变得可行。目前飞利浦已经完成开发,并申请了专利。

3D打印在工业的应用领域也很广。我们其中的一个关注领域是在工业自动化。一家工厂想要实现自动化升级,依靠机械手臂并不足够,过程中需要有很多配套的夹具、治具,去实现整个自动化的流水线。例如,很多行业都会用到的注塑成型这种传统加工方式中,注塑机完成注塑以后,传统模式是人工抓取,然后进行下一道工序。导入自动化之后,在注塑完成之后开模,机械手臂能完成自动夹取以及后续的动作。3D打印可以快速制作这些配套的夹治具,大幅提升自动化生产线的灵活性。

随着工业生产模式不断地朝向少量多样化趋势发展,充分的利用3D打印的特点可以让整个生产线快速灵活地响应变化,这是我们在工业领域最先关注的应用。自动化是智能制造和工业4.0很关键的手段之一,工厂要实现智能制造,自动化水平是很关键的基础。


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